淮北市水資源短缺風險評估及障礙因子診斷

魏繼蓮, 王啟見

(1.安徽水利水電職業技術學院,安徽 合肥 231603;2.安徽華邦工程設計有限公司,安徽 合肥 230002)

水資源是區域經濟社會發展的基礎性、先導性和控制性要素,也是維系人類社會供水安全、飲水安全、糧食安全等方面的重要紐帶[1]。隨著社會經濟的迅速發展,水資源供需矛盾日益突出,水資源短缺已成為世界各國共同面臨的重要環境問題之一[2]。安徽省淮北市地處蘇魯豫皖四省交界、淮海經濟區中心,全市總國土面積2 741 km2,人口217萬,人均水資源占有量為398 m3,僅為全國人均水平的1/6[3]。隨著經濟社會的發展,各行業內用水需求的增加,缺水形勢將會進一步加劇[4]。本文從水資源、社會狀態及用水管理3個方面構建淮北市水資源短缺風險評估指標體系,構建集對分析與熵權法耦合模型,對淮北市水資源短缺風險進行評估分析,利于規避或降低水資源短缺風險,可為合理制定淮北市發展規劃和科學實施水資源管理方案提供依據。

1 研究方法

1.1 指標體系構建

水資源短缺風險評估指標較多,依據安徽省水資源公報(2011-2018)、淮北市統計年鑒(2011-2018)中主要的用水指標,結合自然地理、水資源概況以及數據資料收集難易程度,本文構建了水資源、社會狀態、用水管理3個子系統、12個指標組成的水資源短缺風險評估指標體系[5]。利用熵權法分別計算3個子系統各項指標的權重,各子系統內指標權重求和后再經歸一化處理得到各子系統權重。評估指標等級化是水資源短缺風險、水資源承載力等綜合評估研究的基礎。本文將水資源短缺風險評估指標分為3個等級:I級(說明該指標表征的水資源短缺風險程度較小)、II級(說明該指標表征的水資源短缺風險程度一般)、III級(說明該指標表征的水資源短缺風險程度較大),水資源短缺風險評估指標體系,如表1所列。

表1 水資源短缺風險評估指標體系

1.2 集對分析聯系數

集對分析理論是一種揭示復雜系統不確定性演變特征的理論方法[6],基本原理是構建一個集對,通過同、異、反聯系數對兩個集合在確定性與不確定性方面的關系進行定量表達。在解決具體問題時,設兩個有聯系的集合A、B分別由n項要素組成,表示為A=(a1,a2,a3,…,an)、B=(b1,b2,b3,…,bn),則集對H(A,B)的聯系數可表示如下:

(1)

其中,s為相同要素個數;f為相差異要素個數;p為相對立要素個數;i為差異度系數,在[-1, 1]內取值;j為對立度系數,取-1。若記a=s/n、b=f/n、c=p/n,則式(1)可進一步表示為

μA～B=a+bi+cj

(2)

其中,a、b、c分別為集對H(A,B)的同一度、差異度和對立度,a、b、c的取值范圍均為[-1, 1],滿足a+b+c=1。

1.3 障礙度模型

根據水資源短缺風險評估模型構建的原理分析可知,可以通過提高子系統中指標的水平來緩解水資源短缺風險,因此,論文引入障礙度模型用于識別水資源短缺風險的主要障礙因子。一般采用因子貢獻度、指標偏離度和障礙度等概念進行建模[7]。障礙度模型具體計算方法見式(3)及式(4):

指標偏離度:

Jij=1-Cij

(3)

障礙度:

(4)

其中,Jij表示第i年第j項指標偏離度,即指標實際值與理想值的差距;Cij表示指標樣本標準化后的標準值;wj表示第j項指標權重,即為指標的貢獻度。

1.4 區域水資源短缺風險評估模型構建

本文構建基于聯系數及熵權法的區域水資源短缺風險評估模型并開展水資源短缺風險的主要障礙因子診斷。步驟如下:

步驟1:三元聯系數μijdf的計算。設第d個子系統中第j項指標的第i個樣本的樣本值為xijd,其隸屬于水資源短缺風險評估標準f的隸屬度為μijdf。本研究分別從水資源、社會狀態及用水管理3個子系統挖掘評估指標,將水資源短缺程度劃分為I級、II級、III級3個等級,分別代表水資源短缺程度較小、一般和較大。據此評估標準,分別計算樣本值xijd和3個等級之間的三元聯系數[8]。

(5)

(6)

(7)

式(5)～式(7)中:i=1,2,…,8(淮北市2011-2018年不同年份為不同的樣本);d=1,2,3(1為水資源子系統,2為社會狀態子系統,3為用水管理子系統);j=1,2,…,md(md為系統d中指標個數,m1=m2=m3=4);sjd為Ⅰ級評估標準等級的另一端點值;s1jd為Ⅰ級與Ⅱ級間的閾值;s2jd為Ⅱ級與Ⅲ級間的閾值;s3jd為Ⅲ級評估標準等級的另一端點值。

步驟2:單指標聯系數vijdf的計算。樣本xijd隸屬于“標準等級f”的相對隸屬度計算過程見式(8),式(9)是對式(8)進行歸一化處理的結果。

uijdf=0.5+0.5μijdf

(8)

(9)

步驟3:計算第i個年份第d個子系統隸屬于評價標準f的隸屬度,式(11)是對式(10)進行歸一化處理的結果。

(10)

(11)

步驟4:計算第i個年份樣本i隸屬于水資源短缺風險系統的評估標準f的綜合隸屬度。

(12)

步驟5:水資源短缺風險等級評判。為進一步挖掘聯系數信息,采用級別特征值法計算區域水資源短缺風險評估樣本的風險等級值,作為區域水資源短缺風險的評估結果。

(13)

步驟6:水資源短缺風險障礙因子識別。應用障礙度模型計算各項指標對區域水資源短缺風險的阻礙程度,識別水資源短缺風險的主要障礙因子。

2 結果與分析

2.1 淮北市水資源短缺風險等級演變分析

圖1 水資源短缺風險系統風險評估等級特征值

由圖1可知,2011-2018年淮北市水資源短缺風險各子系統及綜合等級均呈下降趨勢,風險水平整體向良好方向發展,等級特征值均降到2.5以下(II級以上水平),其中,社會狀態子系統的等級特征值降到1.42,達到I級水平。水資源子系統、社會狀態子系統、用水管理子系統和綜合等級特征值分別從2011年的2.56、2.47、2.69和2.58降到2018年的2.15、1.42、1.74及1.82,在2017年以后,出現明顯降幅,主要原因是2017年以后,各子系統中的指標值均有不同程度改善,即正向指標樣本值增加、逆向指標樣本值減小,因此,水資源短缺風險各子系統和綜合等級值減小,水資源短缺風險程度降低。例如:由于2017年以后淮北市采取了節水灌溉技術和科學的水資源管理措施等,社會狀態子系統中的逆向指標農田灌溉定額大幅減小。

2.2 淮北市水資源短缺風險障礙因子診斷

根據障礙度計算公式式(3)～(4),分別計算了2011-2018年各指標對水資源短缺風險的障礙度值,選出前5項且障礙度大于10%的指標,結果如表2所列。

表2 水資源短缺風險障礙因子計算結果

由表2可以看出:2011-2016年,在水資源短缺風險的障礙因素中,徑流系數W3是主要障礙因子,其次是農田灌溉定額S3,年產水模數W2、其他水源供水量M3及生態用水率M2對水資源短缺風險的阻礙程度基本相當(障礙度為10%-14%);2017年,徑流系數W3是主要障礙因子、其次是年產水模數W2和人均供水量W4;2018年,人均供水量W4為主要障礙因子,其次是年產水模數W2,其他因子對水資源短缺風險的阻礙程度均低于10%,未羅列在表2中。可見,2011-2018年排在首位的影響因素均為天然水資源稟賦條件,這與淮北市的氣候條件、地形地貌、土壤特性、地表植被等因素有關。由于2011-2016年農田灌溉定額比較大,因此,農田灌溉定額對水資源短缺風險的阻礙程度較大;2017年以后農田灌溉定額減小,不再是水資源短缺風險的主要障礙因子,社會狀態子系統及用水管理子系統的各項指標逐漸向良好態勢發展,對水資源短缺風險的障礙程度逐漸減弱。

3 結束語

淮北市近年來水資源短缺風險雖向低風險方向轉化,但仍為I～II級風險,仍具有轉化為III級高風險的可能性。因此,要確保淮北市水資源可持續開發利用,降低水資源短缺風險,應積極實施相應的改進措施,具體包括:實施調水工程,加快推進淮水北調配套工程建設,加大非常規水工程的實施;大力發展農業節水灌溉技術;建設生態保護工程,提高生態用水率;注重調整產業結構,發揮自身優勢,提升現代化水平,提高用水效率。